CN109060105A - 一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头，涉及光纤传感技术领域，其包括圆环状的壳体，该壳体的两个开口处分别设置有第一法兰圆盘、第二法兰圆盘、第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第一铠装光缆和第二铠装光缆；本发明以其鼓面镶嵌光纤的薄壁金属结构使它的灵敏度和对声波的还原度比现有的探头更高，并且重量更轻，响应的带宽，动态范围更大，工艺要求简单、易于实现一致性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体来讲是一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头。
背景技术
众所周知，电磁波和光波能在空间有效地传播，是空中信息传递的有效载体。但它们在水中的传播损耗比声波约大3个数量级，因而不能成为水中远距离信息传递的有效形式。迄今为止，声波仍然是能在海洋中远距离传输信息的最有效的载体。随着各种先进技术在潜艇制造工艺中的应用，现代潜艇在水下运行时噪不断降低，这给反潜作战带来巨大的挑战。目前大量装备的传统压电型水听器灵敏度已不能满足水声探测的实战需要，光纤水听器应运而生。相对于传统的压电型水听器具有灵敏度高，频响特性好，抗电磁干扰，重量轻和造价低等特点，可以满足当前形势下对水听器的要求。
干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。该原理为：由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路:接一路构成光纤干涉仪的传感臂，受声波的调制，另一路则构成参考臂，提供参考相位。两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器，发生干涉，如果海洋中有外来生物或者其它可发声的物体进入监测区域，光纤系统的传感臂中经声波调制过的信号与参考臂中的参考信号之间有相移，通过后续解调电路，观察者就可以得到相关的位置以及具体的参数信息。
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。其在各种声纳应用中的巨大潜能已经被广泛的认知，在近几年内，光纤水听器的研究取得了长足的进展，光纤水听器具有声压灵敏度高，重量轻，体积小，抗电磁干扰能力强等诸多优点，其中高灵敏度具体表现为，它的最小可检测信号比传统的水听器要高2～3个数量级。
据查清华大学殷锴，周宏朴等人提出了一种“芯轴型光纤水听器灵敏度的优化设计”，光纤水听器探头为迈克耳孙干涉仪形式。光源发出的激光通过3dB耦合器进入迈克耳孙干涉仪的两个臂。其中敏感臂感受声压作用，参考臂与声压隔离，两臂中的激光通过反射镜反射后再次进入耦合器，在此两光束叠加并发生干涉，干涉光通过光电转换后解调，由此就得到所需的声压信号。面应变的状态。声压作用于弹性筒使弹性筒径向尺寸发生变化，进而带动敏感光纤长度发生变化，将声压信号转换为相位信号进行测量。
带空气腔芯轴型光纤水听器的基本结构。参考光纤缠绕在芯轴上，敏感光纤缠绕在薄壁弹性筒上以感受声压，芯轴与弹性筒之间是空气以提高灵敏度并且使参考光纤与声压隔离。在低频声波情况下，也就是声波波长大于或者与光纤水听器的有效尺寸相当时，弹性筒可以被认为处于一种平面应变的状态。声压作用于弹性筒使弹性筒径向尺寸发生变化，进而带动敏感光纤长度发生变化，将声压信号转换为相位信号进行测量。
同时，北京航天控制仪器研究所何哲玺等人所提出了一种新型光纤水听器探头结构。这种光纤探头包括外壳，聚脲复合材料，铠装光缆，压板接头，过度连接套，凯夫拉绳，声传感器等。外壳是声传感器的耐压封装，兼顾了探头的耐压性与透声性。聚脲复合材料是水密封装材料，具有优异的憎水性及透声性。多探头组成阵列时的连接封装采用铠装光缆，保护探头间的光纤，具备良好的水密特性与力学性能。声传感器的两端通过压板接头与铠装光缆连接，压板接头的外部套有过渡连接套进行密封，连接套上有若干固定孔，用于固定凯夫拉绳，提高组阵探测缆的抗拉强度。这一结构与之前的结构相比具有可靠性高，水密性好，深水耐压能力强，易实现工程化与批量化装配。
平面型光纤水听器探头分为碟式、中央支撑碟式以及平板式三种，参考光纤和传感光纤分别缠绕到一圆盘的两面，圆盘的圆周是支撑线，当声压变化时，圆盘发生形变，参考臂光纤和传感臂光纤分别被拉长和缩短，形成干涉的相位差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头，以其鼓面镶嵌光纤的薄壁金属结构使它的灵敏度和对声波的还原度比现有的探头更高，并且重量更轻，响应的带宽，动态范围更大，工艺要求简单、易于实现一致性。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头，包括圆环状的壳体，该壳体的两个开口处分别设置有第一法兰圆盘和第二法兰圆盘，还包括第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第一铠装光缆和第二铠装光缆；所述第一法兰圆盘与第二法兰圆盘相对一侧设置有第一传感光纤环；该第一传感光纤环的两端分别设置有第一尾纤和第二尾纤；所述第二传感器法兰与第一法兰圆盘相对一侧设置有第二传感光纤环；该第二传感光纤环的两端分别设置有第一尾纤和第二尾纤；所述第一3dB耦合器的一输入端通过第一光纤与第一传感光纤环的第一尾纤相连，第一3dB耦合器的另一输入端通过第二光纤与第二传感光纤环的第一尾纤相连，第一3dB耦合器的输出端与第一铠装光缆相连；所述第二3dB耦合器的一输入端通过第三光纤与第一传感光纤环的第二尾纤相连，第二3dB耦合器的另一输入端通过第四光纤与第二传感光纤环的第二尾纤相连，第二3dB耦合器的输出端与第二铠装光缆相连。
在上述技术方案的基础上，所述第一传感光纤环和第二传感光纤环均为费马螺线结构。
在上述技术方案的基础上，所述第一法兰圆盘和第二法兰圆盘的相对侧都开设有用于容纳对应传感光纤环的凹槽，并填充有密封胶。
在上述技术方案的基础上，所述第一法兰圆盘和第二法兰圆盘都为铝合金薄壁结构。
在上述技术方案的基础上，所述第一3dB耦合器和第二3dB耦合器都设置于壳体的内侧壁与外侧壁之间。
在上述技术方案的基础上，所述第一铠装光缆与第一3dB耦合器的连接处设置有第一保护套；所述第二铠装光缆与第二3dB耦合器的连接处设置有第二保护套。
在上述技术方案的基础上，所述第一传感光纤环、第二传感光纤环、第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤均为单模光纤。
在上述技术方案的基础上，所述第一铠装光缆和第二铠装光缆均为单模铠装光缆。
本发明的有益效果在于：
本发明以其鼓面(第一法兰圆盘和第二法兰圆盘)镶嵌光纤的薄壁金属结构使它的灵敏度和对声波的还原度比现有的探头更高，并且重量更轻，响应的带宽，动态范围更大，工艺要求简单、易于实现一致性。
附图说明
图1为本发明实施例中费马螺线光纤环结构新型水听器探头的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一法兰圆盘的结构示意图；
图3为本发明实施例工作状态图；
图4为本发明实施例的工作原理图。
附图标记：
1-壳体；2-第一传感光纤环；3-第一尾纤；4-第二尾纤；5-第一铠装光缆；6-第一保护套；7-第一3dB耦合器；8-第一光纤；9-第一法兰圆盘；10-第三光纤；11-第二3dB耦合器；12-第二保护套；13-第二铠装光缆；14-第四光纤；15-第二传感光纤环；16-第二法兰圆盘；17-第二光纤。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参见图1和图2所示，本发明实施例提供了一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头，包括圆环状的壳体1，该壳体1的两个开口处分别设置有第一法兰圆盘9和第二法兰圆盘16，还包括第一3dB耦合器7、第二3dB耦合器11、第一铠装光缆5和第二铠装光缆13；具体的，第一铠装光缆5和第二铠装光缆13均为单模铠装光缆。且均以阿基米德螺旋线形式排布，保证光纤与声波的接触面积足够大，使它相对于以上等结构来说对声波更加敏感且对声波的还原度更高。
第一法兰圆盘9与第二法兰圆盘16相对一侧设置有第一传感光纤环2；该第一传感光纤环2的两端分别设置有第一尾纤3和第二尾纤4；
第二传感器法兰与第一法兰圆盘9相对一侧设置有第二传感光纤环15；该第二传感光纤环15的两端分别设置有第一尾纤3和第二尾纤4；
第一3dB耦合器7的一输入端通过第一光纤8与第一传感光纤环2的第一尾纤3相连，第一3dB耦合器7的另一输入端通过第二光纤17与第二传感光纤环15的第一尾纤3相连，第一3dB耦合器7的输出端与第一铠装光缆5相连；
第二3dB耦合器11的一输入端通过第三光纤10与第一传感光纤环2的第二尾纤4相连，第二3dB耦合器11的另一输入端通过第四光纤14与第二传感光纤环15的第二尾纤4相连，第二3dB耦合器11的输出端与第二铠装光缆13相连。
具体的，第一传感光纤环2和第二传感光纤环15均为费马螺线结构。第一法兰圆盘9和第二法兰圆盘16的相对侧都开设有用于容纳对应传感光纤环的凹槽，并填充有密封胶。
具体的，第一法兰圆盘9和第二法兰圆盘16都为铝合金薄壁结构。
具体的，第一3dB耦合器7和第二3dB耦合器11都设置于壳体1的内侧壁与外侧壁之间。第一铠装光缆5与第一3dB耦合器7的连接处设置有第一保护套6；第二铠装光缆13与第二3dB耦合器11的连接处设置有第二保护套12。
具体的，第一传感光纤环2、第二传感光纤环15、第一光纤8、第二光纤17、第三光纤10、第四光纤14均为单模光纤。
本发明的工作原理为：
参见图3和图4所示，水听器探头放置在水中，感受到水下声音压力的变化，作用在法兰圆盘外侧的表面，在面向声纹方向法兰圆盘产生正声压形变，在背对声纹方向法兰圆盘产生负声压形变，这两个形变分别拉长和缩短相应传感光纤环的长度，拉伸或压缩会在单模光纤内部产生光弹效应，光纤内部的激光会第一3dB耦合器和第二3dB耦合器处产生干涉，干涉光强度变化就是声音信息变化。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选地”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点，包含于本发明的至少一个实施例或示例中，在本说明书中对于上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或者示例中以合适方式结合。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头，包括圆环状的壳体(1)，该壳体(1)的两个开口处分别设置有第一法兰圆盘(9)和第二法兰圆盘(16)，其特征在于：还包括第一3dB耦合器(7)、第二3dB耦合器(11)、第一铠装光缆(5)和第二铠装光缆(13)；
所述第一法兰圆盘(9)与第二法兰圆盘(16)相对一侧设置有第一传感光纤环(2)；该第一传感光纤环(2)的两端分别设置有第一尾纤(3)和第二尾纤(4)；
所述第二传感器法兰与第一法兰圆盘(9)相对一侧设置有第二传感光纤环(15)；该第二传感光纤环(15)的两端分别设置有第一尾纤(3)和第二尾纤(4)；
所述第一3dB耦合器(7)的一输入端通过第一光纤(8)与第一传感光纤环(2)的第一尾纤(3)相连，第一3dB耦合器(7)的另一输入端通过第二光纤(17)与第二传感光纤环(15)的第一尾纤(3)相连，第一3dB耦合器(7)的输出端与第一铠装光缆(5)相连；
所述第二3dB耦合器(11)的一输入端通过第三光纤(10)与第一传感光纤环(2)的第二尾纤(4)相连，第二3dB耦合器(11)的另一输入端通过第四光纤(14)与第二传感光纤环(15)的第二尾纤(4)相连，第二3dB耦合器(11)的输出端与第二铠装光缆(13)相连。
2.如权利要求1所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一传感光纤环(2)和第二传感光纤环(15)均为费马螺线结构。
3.如权利要求1所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一法兰圆盘(9)和第二法兰圆盘(16)的相对侧都开设有用于容纳对应传感光纤环的凹槽，并填充有密封胶。
4.如权利要求1所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一法兰圆盘(9)和第二法兰圆盘(16)都为铝合金薄壁结构。
5.如权利要求1所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一3dB耦合器(7)和第二3dB耦合器(11)都设置于壳体(1)的内侧壁与外侧壁之间。
6.如权利要求5所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一铠装光缆(5)与第一3dB耦合器(7)的连接处设置有第一保护套(6)；所述第二铠装光缆(13)与第二3dB耦合器(11)的连接处设置有第二保护套(12)。
7.如权利要求1所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一传感光纤环(2)、第二传感光纤环(15)、第一光纤(8)、第二光纤(17)、第三光纤(10)、第四光纤(14)均为单模光纤。
8.如权利要求1所述的费马螺线光纤环结构新型水听器探头，其特征在于：所述第一铠装光缆(5)和第二铠装光缆(13)均为单模铠装光缆。
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